پژوهشگران به رکورد فوق‌العاده اجرای ۱۰۰ میلیون عملیات کوانتومی در ۵ ثانیه دست یافتند

محققات آزمایشگاه ملی آرگون در وزارت انرژی ایالات متحده‌ی آمریکا (DOE) و دانشگاه شیکاگو در حفظ بیت‌های کوانتومی (کیوبیت) در حالت کوانتومی منسجم به‌مدت بیش از ۵ ثانیه به رکورد جدیدی دست یافتند. این تحقیق که در مجله‌ی Science Advances منتشر شده است، به‌عنوان گامی جدید و مهم در استخراج کار مفید از رایانه‌های کوانتومی ستایش می‌شود؛ گامی که باید عملکرد محاسبات کوانتومی را به‌سمت لحظه‌ی برتری کوانتومی کاهش دهد که بسیار جست‌وجو می‌شود.

به‌گزارش تامزهاردور، نگه‌داری سیستم‌های محاسباتی کوانتومی در حالت‌های مسنجم بسیار دشوار است. ماهیت شکننده‌ی «هرج‌ومرج منظم» به‌گونه‌ای است که اطلاعات کیوبیت و اتصال کیوبیت (درهم‌تنیدگی) معمولاً در مقیاس‌های بسیار کمتر از یک‌ثانیه بدتر می‌شود. پژوهش جدید انسجام محاسبات کوانتومی را به مقیاس‌های زمانی درک‌کردنی برای انسان تبدیل می‌کند. محققان با استفاده از تکنیکی که «خوانش تک‌شات» نامیده‌اند، از پالس‌های لیزری دقیق به‌منظور اضافه‌کردن تک‌تک‌ الکترون‌ها به کیوبیت‌ها استفاده کردند.

النا گلن، دانشجوی فارغ‌التحصیل دانشگاه شیکاگو گفت:

نور ساطع‌شده فقدان یا حضور الکترون را بررسی و تقریباً ۱۰ هزار برابر سیگنال بیشتری را منعکس می‌کند. با تبدیل حالت کوانتومی شکننده‌ی خود به بارهای الکترونیکی پایدار، می‌توانیم وضعیت خود را بسیار آسان‌تر اندازه‌گیری کنیم. با این تقویت سیگنال، هربار که وضعیت کیوبیت را بررسی می‌کنیم، می‌توانیم به پاسخ‌ مطمئنی برسیم. این نوع اندازه‌گیری «خوانش تک‌شات» نامیده می‌شود و می‌توانیم با آن از بسیاری فناوری‌های کوانتومی مفید استفاده کنیم.

ابعاد تراشه‌ی کوانتومی استفاده‌شده در این تحقیق

اضافه‌کردن تک‌تک الکترون‌ها شبیه فشاردادن دکمه‌ی ری‌ست در رایانه‌ی شخصی شما است؛ اما برای حالت‌های کوانتومی. این کار همه‌ی خطاهای بارگذاری‌شده‌ی قبلی را حذف می‌کند و به حالت‌های منسجم اجازه می‌دهد تا خود را تداوم بخشند. ایده‌ پل‌زدن قلمرو کوانتومی به قلمرو الکترونی است و انتخاب ماده در این کار اهمیت بسیار زیادی دارد. محققان از قابلیت‌های ذاتی کاربید سیلیکون استفاده کردند؛ ماده‌ای که می‌تواند در هر دو قلمرو اشاره‌شده به‌خوبی عمل کند.

کریس اندرسون از دانشگاه شیکاگو و یکی از نویسندگان این مقاله گفت:

اساساً مترجمی ساخته‌ایم که از حالت‌های کوانتومی به قلمرو الکترون‌ها که زبان الکترونیک کلاسیک است، تبدیل می‌شود؛ درست مثل آنچه در گوشی هوشمند شما وجود دارد. می‌خواهیم نسل جدیدی از دستگاه‌هایی را بسازیم که به تک‌الکترون‌ها حساس هستند؛ اما از حالت‌های کوانتومی نیز میزبانی می‌کنند. کاربید سیلیکون می‌تواند هر دو را انجام دهد؛ به‌همین‌دلیل، فکر می‌کنیم این ماده واقعاً کارکرد خوبی دارد.

دیوید آوشالوم، دانشمند ارشد در آزمایشگاه ملی آرگون گفت:

غیرمعمول است که اطلاعات کوانتومی در مقایس‌های زمانی انسانی حفظ شود. ۵ ثانیه برای ارسال یک سیگنال با سرعت نور به ماه و برگشت آن کافی است. اگر به انتقال یک کیوبیت به مقصد ازطریق نور فکر می‌کنید، باید درنظر داشته باشید که آن نور حتی پس از ۴۰ مرتبه چرخش به دور زمین، وضعیت کیوبیت را همچنان به‌درستی منعکس و راه را برای ایجاد اینترنت کوانتومی توزیع‌شده هموار خواهد کرد.

می‌توان این فناوری را با محاسبات کوانتومی مبتنی‌بر فوتونیک برای شبکه‌ی محاسباتی کوانتومی توزیع‌شده‌ی مقیاس‌پذیر و با سرعت نور جفت کرد. محققان انتظار دارند که نتایج تحقیق آن‌ها امکان توسعه‌ی تکرارکننده‌های کوانتومی را فراهم کند. همچنین، امید می‌رود با استفاده از کاربید سیلیکون، مکان‌هایی برای فناوری‌های معمولی CMOS (نیمه‌رسانای اکسید فلزی متقارن مکمل) برای ادغام سیستم‌های مبتنی‌بر اسپین الکترون در دستگاه‌های الکتریکی کلاسیک وجود داشته باشد که به بارهای تکی حساس هستند.